Трансформаторы и их применение

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Э.С. Астапенко, Р.Н. Кахиев, Д.П. Столяров

ТРАНСФОРМАТОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Учебное пособие

Томск 

Издательство ТГАСУ

2023

УДК 621.314.21(075.8)
ББК 31.261.8-04

А91

Астапенко, Э.С.

Трансформаторы и их применение : учебное 

пособие / Э.С. Астапенко, Р.Н. Кахиев, Д.П. Столяров. –
Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2023. –
62 с. – Текст : электронный.

ISBN 978-5-6049515-4-5

Учебное пособие знакомит с устройством, принципом действия 

и особенностями применения однофазных и трехфазных трансформаторов, 
их электрическими характеристиками. Кроме того, рассмотрены автотрансформаторы, 
измерительные и сварочные трансформаторы.

Пособие
предназначено для студентов, обучающихся по 

направлениям подготовки «Строительство» и «Наземные транспортно-
технологические комплексы», учебные планы которых содержат 
дисциплины «Электротехника с основами электроснабжения», 
«Электрооборудование ПТСДМиО».

Пособие по дисциплине «Трансформаторы и их применение» 

предназначено для студентов всех форм обучения.

УДК 621.314.21(075.8)
ББК 31.261.8-04

Рецензенты:
Д.Ю. Орлов, канд. техн. наук, доцент кафедры прикладной 
механики и материаловедения ФГБОУ ВО ТГАСУ;
П.Р. Баранов, канд. техн. наук, доцент, ОЭЭ ИШЭ 
ФГАОУ ВО НИИ ТПУ.

ISBN 978-5-6049515-4-5
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2023

© Астапенко Э.С., Кахиев Р.Н.,

Столяров Д.П., 2023

А91

ВВЕДЕНИЕ

В строительстве, на предприятиях по обслуживанию и ре-

монту технологического оборудования и других сферах хозяйственной 
деятельности используются электротехнические устройства 
с разным напряжением питания. Устройством, позволяющим 
получить требуемую величину переменного напряжения, является 
трансформатор.

Данное учебное пособие разработано с целью формирова-

ния у обучающихся системного инженерного мышления, позволяющего 
разобраться в устройстве и принципе работы трансформатора.


Задачи учебного пособия:
– сформировать у обучающихся комплекс знаний в области 

выбора, назначения и эксплуатации трансформаторов;

– дать обучающимся информацию об однофазных, трехфаз-

ных и специальных трансформаторах;

– научить методике расчета выпрямителя с трансформато-

ром мощностью до 1000 Вт.

Пособие является дополнением к изданиям по электротех-

нике и предназначено для студентов неэлектрических специальностей, 
обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 
и специалистов «Строительство» и «Наземные транспортно-технологические 
комплексы», учебные планы которых содержат 
дисциплины «Электротехника с основами электроснабжения»,
«Электрооборудование ПТСДМиО».

Учебное пособие состоит из введения, семи разделов и за-

ключения, снабжено справочным материалом, содержит библиографический 
список и список иллюстраций с указанием их источников. 
Материалы из библиографического списка рекомендуются 
студентам для самостоятельного изучения.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ

Трансформатор электрический – это статическое (не имею-

щее подвижных частей) устройство для преобразования переменного 
напряжения по величине с сохранением той же частоты.
Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих 
трансформаторов, а уменьшение – понижающих.

Трансформатор впервые был использован в 1876 г. П.Н. Яб-

лочковым в цепях электрического освещения. В 1890 г. М.О. До-
ливо-Добровольский разработал трехфазный трансформатор. 
Дальнейшее развитие трансформаторов заключалось в совершенствовании 
их конструкции, увеличении мощности и КПД, 
улучшении изоляции обмоток.

Трансформаторы применяются в линиях электропередач, 

в технике связи, в автоматике, измерительной и бытовой технике 
и других областях.

В соответствии с назначением различают силовые транс-

форматоры для питания электрических двигателей и осветительных 
сетей; специальные трансформаторы для питания сварочных 
аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения; 
измерительные трансформаторы для подключения измерительных 
приборов [1].

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные

и трехфазные.

Мощности трансформаторов различны – от долей вольт-ам-

пер до десятков мегавольт-ампер; рабочие частоты – от десятков
герц до сотен килогерц.

2. ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Однофазный трансформатор состоит из двух основных ча-

стей: замкнутого магнитопровода (сердечника), на котором расположены 
две или несколько обмоток.

Для уменьшения потерь на гистерезис при перемагничива-

нии магнитопровод изготавливают из магнитомягкого материала – 
электротехнической стали, имеющей узкую петлю намагничивания. 
Для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко) 
в материал магнитопровода вводят примесь кремния, повышающую 
его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают 
из отдельных листов электротехнической стали толщиной 
0,35–0,5 мм, изолированных друг от друга теплостойким лаком 
или оксидной пленкой [1].

2.1. Устройство однофазного трансформатора

Простейший однофазный трансформатор состоит из сталь-

ного сердечника и двух обмоток. Магнитопроводы могут иметь 
различную конструкцию: стержневую, броневую и тороидальную (
рис. 2.1).

Магнитопроводы верхнего ряда собираются из листового

материала, а магнитопроводы нижнего ряда навиваются из ленты 
электротехнической стали, которая также имеет изолирующее 
покрытие.

Магнитопровод броневой конструкции хорошо защищает 

обмотки катушек от механических повреждений. Верхнюю часть 
магнитопровода называют ярмом, а части, на которые насажены 
катушки, называются стержнями. Стержни и ярмо соединяют 
очень плотно, с перекрытием, чтобы исключить воздушные зазоры 
на стыках.

В маломощных трансформаторах находят применение 

кольцевые магнитопроводы, которые обычно навивают из длин-

ной ленты. В кольцевых магнитопроводах отсутствуют воздушные 
зазоры, поэтому магнитный поток рассеяния мал, и трансформатор 
имеет высокий КПД.

Рис. 2.1. Конструкции магнитопроводов однофазных трансформаторов

На рис. 2.2–2.4 представлен внешний вид трансформаторов 

с магнитопроводами перечисленных конструкций.

Обмотки трансформаторов изготавливают из медного, изо-

лированного лаком, провода и располагают на одном или на разных 
стержнях, рядом или одну под другой. В последнем случае 
непосредственно к стержню примыкает обмотка низшего напряжения, 
а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.

Рис. 2.2. Трансформатор стержневой

Рис. 2.3. Трансформатор броневой

Обмотка трансформатора, к которой подводится напряже-

ние питающей сети, называется первичной, а обмотка, к которой 
подключается нагрузка – вторичной. На магнитопроводе может 
быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом 
витков, что позволяет получить различные по величине вторичные 
напряжения.

Рис. 2.4. Трансформатор тороидальный (кольцевой)

Из-за протекающих в обмотках трансформатора токов, 

а также вследствие вихревых токов и перемагничивания стали 
магнитопровода при работе трансформатора выделяется тепло, 
которое необходимо отводить. Для трансформаторов небольшой 
мощности (до 10 кВ·А) вполне достаточно естественного охлаждения 
или применения вентилятора воздушного охлаждения. 
В более мощных трансформаторах используют масляное охлаждение (
рис. 2.5). Магнитопровод с обмотками размещают 
в баке, в который залито специальное нефтяное или синтетическое 
трансформаторное масло. Масло не только хорошо отводит 
тепло благодаря высокой теплоемкости, но и является хорошим 
диэлектриком. Для обеспечения хороших диэлектрических 
свойств масло не должно содержать воду и механические загрязнения. 
Тепло отводится при циркуляции масла за счет конвекции 
или принудительной прокачки насосом.

Рис. 2.5. Масляный трансформатор с расширительным баком и радиа-

торами охлаждения

Масляные трансформаторы имеют меньшие габариты

и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. 
Для поглощения излишков масла при повышении его температуры 
на баке устанавливается расширитель, из которого 
масло возвращается в основной бак при понижении его температуры. 
Для увеличения охлаждающей поверхности бак выполняется 
с ребрами или с радиаторами различной конструкции.

2.2. Принцип действия однофазного трансформатора

На рис. 2.6 представлена схема простейшего однофазного 

трансформатора.

Рис. 2.6. Схема однофазного трансформатора

На стержневом магнитопроводе размещена первичная об-

мотка с количеством витков w1 и вторичная обмотка с количеством 
витков w2. На первичную обмотку подается напряжение 
питающей сети u1. Ко вторичной обмотке подключена нагрузка 
Zн. У однофазных трансформаторов начало и конец обмотки на 
стороне высшего напряжения обозначаются заглавными буквами 
латинского алфавита А и X, а на стороне низшего напряжения –
строчными латинскими буквами а и x.

Переменный ток i1 в первичной обмотке приводит к появле-

нию в магнитопроводе переменного магнитного потока Ф.

В реальных трансформаторах часть магнитного потока за-

мыкается вне магнитопровода, образуя поток рассеяния в первичной 
обмотке Фδ1 и поток рассеяния во вторичной обмотке 
Фδ2. В высококачественных трансформаторах потоки рассеяния 
малы по сравнению с основным потоком (потоком в магнитопроводе).


Основной магнитный поток Ф, пронизывая витки вторич-

ной обмотки (в соответствии с законом электромагнитной индук-